DE2733792B1 - Verfahren und Schalteinrichtung zur Kompensationsverstaerkung periodischer oder getakteter elektrischer Messsignale - Google Patents

Description

• Die neue Verfahrensweise hat den wesentlichen Vorteil, daß durch diese Speicherung des Fehlersignals die Störgröße schon vor der Verstärkung und Demodulation eliminiert wird. Die Verstärker und Demodulationsstufen können kleinere Meßsignale er- fassen und für eine größere Meßgenauigkeit ausgebildet werden. Eine durch äußere Störgrößen verursachte Übersteuerung der Verstärker über die Rückkopplung wird vermieden. Die Fehler-Signal-Verstärker können ohne Gefahr der Übersteuerung für höhere Verstärkungsfaktoren ausgelegt werden, wodurch eine höhere Meßgenauigkeit erzielt wird.
• Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schalteinrichtung benötigt außer den ohnehin für den Kompensationskreis erforderlichen Bauelementen nur einen mit je einem vorgeschalteten bzw. nachgeschalteten Schalter versehenen Speicher, welcher zwischen den Ausgang der Vergleichsstufe und die folgenden Verstärker- und/oder Demodulationsstufen geschaltet ist, wobei der vorgeschaltete Schalter im Zeitpunkt des eingeschwungenen Meßsignals und der nachgeschaltete Schalter nach dem Öffnen des vorgeschalteten Schalters geschlossen wird. Hierfür geeignete Analogspeicher sind sehr preiswert.
• Ist die Fehlerspannung in den Speicher eingegeben, so wird durch Öffnen des vorgeschalteten Schalters die Einwirkung von Störgrößen auf die gespeicherte Größe verhindert und nach dem Schließen des nachgeschalteten Schalters wird die gespeicherte Differenzspannung auf die Verstärker- und Demodulationsstufen übertragen. Die durch das Schließen des vorgeschalteten Schalters bestimmten aufeinanderfolgenden Speicherzeitpunkte werden synchron zur Störfrequenz gesteuert. Hierdurch wird erreicht, daß die gespeicherte Spannung allein von der Differenzspannung aus Meßsignal und Vergleichsgröße verändert werden kann.
• Das abgerufene Differenzsignal wird durch die Einschaltdauer des nachgeschalteten Schalters zeitlich begrenzt. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, dieses Differenzsignal wieder auf das Taktmaß des Meßsignals zu bringen. Dies kann erfindungsgemäß dadurch geschehen, daß zwischen dem nachgeschalteten Schalter und den folgenden Verstärker- und/oder Demodulationsstufen ein weiterer Speicher vorgesehen ist. Dieser hält die vom ersten Speicher abgerufene Spannung bis zum folgenden Abruf, wodurch das gewünschte Taktmaß erhalten ist.
• Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt F i g. 1 einen Kompensationsverstärker mit einem Speicher in einem Blockschaltbild, F i g. 2 einen Kompensationsverstärker mit zwei Speichern in einem Blockschaltbild und F i g. 3 ein die Schaltzustände des Kompensationsverstärkers gemäß F i g. 1 wiedergebendes Diagramm.
• Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Meßspannung U über einen Eingangsverstärker 1 in den Kompensationskreis 2 eingeführt. Der Kompensationskreis besitzt eine Vergleichsstufe 2, welche aus der vorverstärkten Meßspannung U und einer über eine Rückkopplung erhaltene Vergleichsspannung k,UA eine Differenzspannung U2 bildet. Weiterhin weist der Kompensationskreis ein oder mehrere Verstärkerstufen 3, einen Demodulator 4 und einen Ausgangsverstärker 5 auf, welcher die kompensierte Ausgangsspannung UA liefert. Der Rückkopplungskreis wird an die Ausgangsspannung UA angeschlossen und umfaßt ein Bewertungsglied 6 zur Bildung der Vergleichsspannung k1 UA.
• Erfindungsgemäß ist zwischen der Vergleichsstufe 2 und der nächstfolgenden Verstärkerstufe 3 ein Speicher 7 zwischengeschaltet, dem ein Schalter S vorgeschaltet und ein Schalter S2 nachgeschaltet ist. Der Speicher 7 kann ein üblicher Analogspeicher sein, dessen Kondensator die ihm zugeführte Spannung auch nach Öffnen von S aufrechterhält. Schließlich ist zwischen das Bewertungsglied 6, z. B. ein Potentiometer, und die Vergleichsstufe 2 ein Schalter Szwischengeschaltet, der die einfachste Form eines Modulators darstellt.
• Als Meßgröße steht eine periodische Meßspannung U1 an, die auch durch eine Taktung erzeugt sein kann.
• Stammt diese beispielsweise von einem magnetisch-induktiven Durchflußmesser, so wird sie mit der Frequenz des Feldspulenstromes, die meist als Bruchteil der Netzfrequenz gewählt wird, induziert. In der Vergleichsstufe 2 wird die vorverstärkte Meßspannung U mit der vom Rückkopplungskreis kommenden Vergleichsspannung klUA verglichen. Eine von äußeren Störgrößen nicht überlagerte Differenzspannung wird bei dem bekannten Verfahren unmittelbar den Verstärkerstufen 3 und dem Demodulator zugeführt. Der Demodulator 4 hat einen üblichen Aufbau, wobei er durch eine geeignete Taktung in Abhängigkeit von der Störfrequenz die Differenzspannung einer Meßphase unmittelbar auf einen Kondensator durchläßt, während die andere Meßphase dem Kondensator als invertierte Differenzgröße zugeführt wird. Die dann am Kondensator anstehende Spannung ergibt nach einer Verstärkung durch den Ausgangsverstärker 5 die Ausgangsspannung UA, welche die kompensierte Meßgröße darstellt und für Anzeige- oder Regelzwecke verwendet werden kann und außerdem für die Rückkopplung Verwendung findet.
• Dieser üblichen Verfahrensweise ist erfindungsgemäß eine Speicherung zugeordnet, deren Aufgabe es ist, eventuelle äußere Störgrößen zu eliminieren. Im Falle einer Überlagerung der Meßspannung U durch eine Störspannung wird diese Überlagerung auch auf die Differenzspannung übertragen. Sobald die Meßspannung U und damit die Differenzspannung U2 einer Meßphase eingeschwungen ist, wird der Schalter S geschlossen, wobei gleichzeitig der Schalter S2 geöffnet bleibt. Die Differenzspannung U2 wird dem Speicher 7 aufgegeben. Der Schalter S wird nun in Abhängigkeit von der Störfrequenz gesteuert, so daß die Störgrößen aufeinanderfolgender Meßphasen immer in gleichen Phasen der Störfrequenz erfaßt und gespeichert werden und auf dem entsprechenden Spannungsniveau von geänderten Meßspannungen kommende Differenzgrößen allein zur Wirkung gelangen. Ist der Schalter S geschlossen, wird der Schalter S2 geöffnet, ebenfalls von der Störfrequenz gesteuert. Die gespeicherte Spannung wird nun den Verstärkerstufen 3 und dem Demodulator 4 aufgegeben, und zwar mit einer der Öffnungsphase des Schalters S2 entsprechenden Zeitdauer. Der Schalter 3 im Rückkopplungskreis wird hingegen im Takt der Meßphasen abwechselnd ein- und ausgeschaltet. In F i g. 3 sind unter dem Spannungs-Zeitdiagramm für die Meßspannung UA die Schaltphasen der Schalter SI, S2 und S3 dargestellt.
• Die in F i g. 2 gezeigte Ausführung unterscheidet sich von der in F i g. 1 dargestellten Ausführung nur dadurch, daß zwischen den Schalter S2 und die folgende Verstärkerstufe 3 ein weiterer Speicher 8 zwischengeschaltet und die mögliche Eingabe einer Referenzspannung U,¢rangedeutet ist, welche dem Bewertungsglied 6 multiplikativ aufgegeben werden kann und zu einer Vergleichsspannung k2 UA Urelführt. Derzusätzliche Speicher 8 hat die Aufgabe, die vom Speicher 7 kommende Differenzspannung zu speichern, so daß diese auch noch für die folgenden Stufen ansteht, wenn der Schalter S2 wieder geöffnet wird. Hierdurch wird das Differenzsignal wieder auf eine einer ganzen Meßphase entsprechende Zeitgröße gebracht. Dieser Speicher 8 kann aus einem Analogspeicher bestehen, aber auch durch einen Kondensator gebildet werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Kompensationsverstärkung periodischer oder getakteter elektrischer Meßsignale mit phasenselektiver Gleichrichtung in einen Kompensationsregelkreis, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Fehlersignal des Kompensationskreises im Zeitpunkt des eingeschwungenen Meßsignals gespeichert und die gespeicherte Größe erst danach verstärkt und demoduliert wird.
2. 2. Schalteinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Eingangsvertärker, einer Vergleichsstufe, einer Verstärkerstufefür die Differenzspannung, einer Demodulationsstufe, einem Ausgangsverstärker, einem zur Vergleichsstufe führenden Rückkopplungskreis und von einem Taktgeber gesteuerte Schalter für den Demodulationskreis und Rückkopplungskreis, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der Vergleichsstufe (2) und dem folgenden Verstärker (3) und/oder Demodulationsstufen (4) ein Speicher (8) mit einem vor- bzw. nachgeschalteten Schalter (9 bzw. 10) vorgesehen ist, wobei der vorgeschaltete Schalter (9) im Zeitpunkt des eingeschwungenen Meßsignals geschlossen und der nachgeschaltete Schalter (10) nach dem Öffnen des vorgeschalteten Schalters geschlossen wird.
3. 3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem nachgeschalteten Schalter (10) und den folgenden Verstärker-und/oder Demodulationsstufen (3 bzw. 4) ein weiterer Speicher (12) vorgesehen ist.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schalteinrichtung zur Kompensationsverstärkung periodischer oder getakteter elektrischer Meßsignale mit phasenselektiver Gleichrichtung in einem Kompensationsregelkreis und bezweckt eine verbesserte Beseitigung von Störgrößen.

   Bei den bekannten Kompensationsverstärkern, wie sie beispielsweise bei magnetisch-induktiven Durchflußmessern, optischen Meßgeräten u. dgl. zur Anwendung kommen, werden die periodischen bzw. getakteten, meist sehr kleinen Meßsignale häufig von äußeren Störgrößen beeinflußt, welche die Messung ungenau oder gar unmöglich machen. Zu diesen äußeren Störgrößen gehören beispielsweise Erdungsströme im Bereich elektrisch betriebener Bahnlinien, Kraftwerke usw, die zu Fehlspannungen führen können. Zur Beseitigung solcher Störgrößen sind verschiedene Vorschläge bekannt, welche jedoch die Mängel nur teilweise oder sehr aufwendig beseitigen.

   In der Regel wird bei Kcmpensations-Verstärkern die im Takt einer periodischen Erregergröße schwankende, häufig von Störspannungen überlagerte Meßspannung U1 von einem Eingangsverstärker in eine Spannung geeigneter Größe umgesetzt. In einer Vergleichstufe wird diese dann mit einer von einem Ausgangsverstärker über ein Bewertungsglied, dem auch eine mit einer Referenzspannung multiplizierende Multiplikationseinrichtung zugeordnet sein kann, gelieferten Vergleichsspannung K, - UA verglichen, die der Vergleichsstufe über einen Modulator, der im einfachsten Fall aus einem periodisch schließenden Schalter besteht, in einer der Signalspannung gleichen Kurvenform und Phasenlage zugeführt wird. Im Falle einer Differenz zwischen der verstärkten Meßspannung und der Vergleichsspannung wird die Differenzspannung (Fehlersignal) durch einen Verstärker verstärkt. Die mit der Erregergröße im Takt schwankende Ausgangsspannung des Verstärkers wird durch synchrone Taktsteuerung eines Demodulators dann phasenselektiv gleichgerichtet und in ein festgelegtes Ausgangssignal UA umgesetzt, welches einerseits als kompensierte Meßgröße Verwendung findet, andererseits mit der Vergleichsstufe rückgekoppelt ist.

   Die verstärkte Differenzspannung am Ausgang des Vergleichsgliedes wird bei periodischen Signalen meist durch phasenselektive Gleichrichtung in eine Gleichspannung umgesetzt. Die phasenselektive Gleichrichtung ist die Bildung der Differenz zeitlich nacheinander folgender Amplitudenwerte des gleichzurichtenden Signales. Die Meß-Zeitpunkte, an denen die Amplitudenwerte, deren Differenz zu bilden ist, erfaßt werden sollen, werden durch ein Taktsignal festgelegt. Wenn dem gleichzurichtenden Signal ein Störsignal fester Frequenz überlagert ist und das Taktsignal phasenstarr so an die Störfrequenz angekoppelt ist, daß bei jedem Meßzeitpunkt der gleiche Amplitudenwert des Störsignals erfaßt wird, wird das Störsignal vom phasenselektiven Gleichrichter unterdrückt Bei Schaltungen dieser Art ist man bestrebt, die Verstärkung des Fehlersignals so groß wie möglich zu machen, um beispielsweise auf Änderungen der Verstärkung oder der Gleichrichtercharakteristik zurückzuführende Einflüsse klein zu halten oder die Meßgenauigkeit beeinflussende Gleichspannungsfehler des häufig mit Gleichspannungs-Verstärkern aufgebauten phasenselektiven Gleichrichters und der nachfolgenden Stufen gering zu halten. Eine hohe Verstärkung ist auch erforderlich, wenn dem Rückkopplungskreis eine Referenzspannung aufgegeben wird. Da Störgrö-Ben hinter der Vergleichsstufe erhalten bleiben, muß andererseits jedoch der Verstärkungsfaktor für die Vergleichsspannung so weit reduziert werden, daß eine größtmögliche Störspannung diesen Verstärker nicht übersteuert.

   Das wirkt sich jedoch wieder zu Lasten der Meßgenauigkeit aus. Implizierte Störgrößen sind daher Ursache dafür, daß der Kompensationsverstärkerkreis nur mit einer begrenzten Meßgenauigkeit eingerichtet werden kann. Eine denkbare Verwendung von Filtern mit schmalem Frequenzgang, welche nur die Taktfrequenz des Meßsignals durchlassen, wäre nicht nur teuer, sondern hätte auch den Nachteil, daß die Bandbreite hierfür nicht genügend schmal gemacht werden kann und im Bereich der Durchflußfrequenz die Phasenfehler so groß werden, daß der ganze Kreis instabil wird.

   Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den störenden Einfluß der äußeren Störgrößen auf die Verstärker- und Demodulationsstufen auszuschließen und dadurch die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Fehlersignal des Kompensationskreises im Zeitpunkt des eingeschwungenen Meßsignals gespeichert und die gespeicherte Größe erst danach verstärkt und demoduliert wird.